詳解航空渦輪發(fā)動機

1、詳解航空渦輪發(fā)動機（一）【字體大?。捍笾行　?引言古往今來，人類飛上天空的夢想從來沒有中斷過。古人羨慕自由飛翔的鳥兒，今天的我們卻可以借助飛機來實現(xiàn)這一理想。鳥兒能在天空翻飛翱翔，靠的是有力的翅膀；而飛機能夠呼嘯馳騁云端，靠的是強 勁的心臟 航空渦輪發(fā)動機。航空渦輪發(fā)動機，也叫噴氣發(fā)動機，包括渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機等幾 大類，是由壓氣機、燃燒室和渦輪三個核心部件以及進氣裝置、涵道、加力燃燒室、噴管、風(fēng)扇、螺旋槳 和其它一些發(fā)動機附屬設(shè)備比如燃油調(diào)節(jié)器、起動裝置等組成的。其中，壓氣機、燃燒室和渦輪這三大核 心部件構(gòu)成了我們所說的”核心機"。每個部件的研制都要克

2、服巨大的技術(shù)困難，因而航空渦輪發(fā)動機是名 副其實的高科技產(chǎn)品，是人類智慧最偉大的結(jié)晶，其研制水平是一個國家綜合國力的集中體現(xiàn)。目前世界 上只有美、俄、法、英等少數(shù)幾個國家能獨立制造擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的航空渦輪發(fā)動機。2002年5月，中國自行研制的第一臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、技術(shù)先進、性能可靠的航空渦輪發(fā)動 機一一”昆侖"渦噴發(fā)動機正式通過國家設(shè)計定型審查，它標(biāo)志著我國一躍成為世界第五大航空發(fā)動機設(shè)計 生產(chǎn)國?！崩?quot;及其發(fā)展型完全可以滿足今后若干年內(nèi)我軍對中等偏大推力渦噴發(fā)動機的裝機要求，將來 在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的小涵道比渦扇發(fā)動機還可以滿足我國未來主力戰(zhàn)機的動力要求，是

3、我國航空渦輪發(fā) 動機發(fā)展史上的里程碑。要了解航空渦輪發(fā)動機，首先要從它的最關(guān)鍵部分-核心機開始。核心機包括壓氣機、燃燒室和渦輪三個部件，它們都有受熱部件，工作條件極端惡劣，載荷大，溫度高，容易損壞，因此航空渦輪發(fā)動機的 設(shè)計重點和瓶頸就在于核心機的設(shè)計。詳解航空渦輪發(fā)動機（二）【字體大小：大中小】 壓氣機壓氣機的作用是將來自渦輪的能量傳遞給外界空氣，提高其壓力后送到燃燒室參與燃燒。因為外界空氣的單位體積含氧量太低，遠小于燃燒室中的燃油充分燃燒所需的含氧量。所以如果外界空氣不經(jīng)過壓縮，那么發(fā)動機的熱力循環(huán)效率就太低了。在航空渦輪發(fā)動機上使用的壓氣機按其結(jié)構(gòu)和工作原理可以分為兩大類，一類是離心式壓

4、氣機，一類是軸流式壓氣機。離心式壓氣機的外形就像是一個鈍角的扁圓錐體。由于其迎風(fēng)面積大，現(xiàn)在已經(jīng)不在主 流航空渦噴/渦扇發(fā)動機中使用了，僅在渦軸發(fā)動機中有一些應(yīng)用。軸流式壓氣機因其中主流的方向與壓氣機軸平行而得名，它是靠推動氣流進入相鄰葉片間的擴壓信道來實現(xiàn)氣流增壓的。軸流式壓氣機具有體積 小、流量大、效率高的特點，雖然軸流式壓氣機單級增壓比不大（約1.31.5），但是可以將很多級壓氣機葉片串聯(lián)起來，一級一級增壓，其乘積就是總的增壓比。軸流式壓氣機的這些優(yōu)點，使其成為現(xiàn)代航空 渦輪發(fā)動機的首選。壓氣機的主要設(shè)計難點在于要綜合保證效率、增壓比和喘振裕度者三大主要性能參數(shù)滿足發(fā)動機的要求。壓氣機效

5、率是衡量壓氣機性能好壞的重要指標(biāo)，它反映了氣流增壓過程中產(chǎn)生能量損失的大小，如果效率太低，能量損失過大，壓氣機就是岀力不討好。增壓比是指壓氣機岀口氣壓與進口氣壓之比，這個參數(shù)決定了壓氣機給后面的燃燒室提供的”服務(wù)質(zhì)量"的好壞以及整個發(fā)動機的熱力循環(huán)效率。目前人們的目標(biāo)是提高壓氣機的單級增壓比。比如在GE公司 的J-79渦噴發(fā)動機上用的壓氣機風(fēng)扇有 17級之多，平均單級增壓比為 1.16，這樣17級葉片的總增壓比 大約在12.5左右；而F-22的F-119渦扇發(fā)動機的壓氣機中，3級風(fēng)扇和6級高壓壓氣機的總增壓比就達 到了 25左右，平均單級增壓比為 1.43。但隨著壓氣機的增壓比越來越

6、高，壓氣機喘振的問題凸顯了岀來。喘振是發(fā)動機的一種不正常的工作狀態(tài)，是由壓氣機內(nèi)的空氣流量和壓氣機轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計狀態(tài)過多而引發(fā)的。喘振是發(fā)動機的致命故障，嚴重時可能導(dǎo)致發(fā)動機空中停車甚至發(fā)動機致命損壞。衡量發(fā)動機喘 振性能的指標(biāo)叫做”喘振裕度"，就是說發(fā)動機的進氣口流量變化多少會引發(fā)喘振，這個值一般都要求達到 15 %甚至20 %以上。航空渦輪發(fā)動機性能要先進，穩(wěn)定工作范圍寬，首先要求喘振裕度要大，壓氣機工 作點距離喘振邊界遠。其次，發(fā)動機抗畸變能力要強。進氣口的氣有時是不均勻的，尤其是飛機做大機動 動作時，進氣道唇口氣流發(fā)生分離，造成壓氣機進口畸變，氣流不均勻。這時發(fā)動機的喘振裕度就

7、會減小， 加減速又會把一部分喘振裕度消耗掉，也可能造成停車，所以喘振裕度必須足夠，對畸變不敏感。導(dǎo)彈的 尾焰也容易造成溫度場畸變，使發(fā)動機停車，所以要有武器發(fā)射防喘自動控制系統(tǒng)。早期的軸流式壓氣機多數(shù)為單轉(zhuǎn)子軸流式壓氣機，即各級壓氣機是裝在同一根傳動軸上、由同一個渦輪驅(qū)動并以相同轉(zhuǎn)速工作的。這種壓氣機結(jié)構(gòu)比較簡單，但是當(dāng)單轉(zhuǎn)子的發(fā)動機在工作中轉(zhuǎn)速突然下降時（比如猛收小油門），氣流容積容量過大而形成堵塞，從而導(dǎo)致前面各級（低壓壓氣機）葉片處于小流量 大攻角的工作狀態(tài)。這時，就像飛機在大攻角飛行時出現(xiàn)失速一樣，氣流在壓氣機葉片后面開始分離，這 種分離嚴重到一定程度，就會岀現(xiàn)喘振。在單轉(zhuǎn)子軸流式壓氣

8、機中，為了降低低壓部分在這種情況下的攻 角，只好在壓氣機前加裝可調(diào)導(dǎo)流葉片以降低氣流攻角，或者在壓氣機的中間級上進行放氣，即空防掉一 部分已經(jīng)增壓的空氣來減少壓氣機低壓部分的攻角。為了提高壓氣機的工作效率并增加發(fā)動機喘振裕度，人們想到了用雙轉(zhuǎn)子來解決問題，即讓發(fā)動機的低壓壓氣機和高壓壓氣機工作在不同的轉(zhuǎn)速之下，這樣低壓壓氣機與低壓渦輪聯(lián)動形成低壓轉(zhuǎn)子，高壓壓 氣機與高壓渦輪聯(lián)動形成高壓轉(zhuǎn)子。由于低壓壓氣機和高壓壓氣機分別裝在兩個同心的傳動軸上，當(dāng)壓氣 機的空氣流量和轉(zhuǎn)速前后矛盾時，它們就可以自動調(diào)節(jié)，推遲了前面各級葉片上的氣流分離，從而增加了 喘振裕度。然而雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)動機也并不是完美的。在

9、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的渦扇發(fā)動機上，由于風(fēng)扇通常和低壓壓氣機聯(lián)動，風(fēng)扇為了遷就壓氣機而必須在高轉(zhuǎn)速下運行，高轉(zhuǎn)速帶來的巨大離心力就要求風(fēng)扇的葉片長度不 能太大，涵道比自然也上不去，而涵道比越高的發(fā)動機越省油。低壓壓氣機為了遷就風(fēng)扇也不得不降低轉(zhuǎn) 速和單級增壓比，單級增壓比降低的后果就是不得不增加壓氣機的級數(shù)來保持一定的總增壓比。這樣一來 壓氣機的重量就難以下降。為了解決壓氣機增壓比和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的矛盾，人們很自然的想到了三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所謂三轉(zhuǎn)子就是在雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機上又多了一級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。這樣，風(fēng)扇、低壓壓氣機和高壓壓氣機都自成一個轉(zhuǎn)子，各自都有各自 的轉(zhuǎn)速。因此，設(shè)計師們就可以相對自由地設(shè)計發(fā)動機風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇直

10、徑以及涵道比。而低壓壓氣機的 轉(zhuǎn)速也就可以不再受風(fēng)扇的掣肘。但和雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機相比， 三轉(zhuǎn)子發(fā)動機的結(jié)構(gòu)進一步變得復(fù)雜。三轉(zhuǎn)子發(fā)動機有三個相互套在一起的共軸轉(zhuǎn)子，支撐結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，軸承的潤滑也更加困難。三轉(zhuǎn)子發(fā)動機比雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機多了很多工程上的 難題，可是英國的羅爾斯羅伊斯公司還是對它情有獨鐘。羅羅公司的RB-211渦扇發(fā)動機上用的就是三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子數(shù)量的增加帶來了風(fēng)扇、壓氣機和渦輪的優(yōu)化。該型發(fā)動機裝備在許多型號的客機上。三轉(zhuǎn)子的RB-211與同一技術(shù)時期推力同級的波音 747用雙轉(zhuǎn)子JT9D渦扇發(fā)動機相比，JT9D的風(fēng) 扇葉片有46片，而RB-211只有33片；壓氣機、渦輪的總級數(shù) JT9

11、D為22級，而RB-211只有19級； 壓氣機葉片JT9D有1486片，RB-211只有826片；渦輪轉(zhuǎn)子葉片 RB-211是522片，而JT9D多達708 片；但從支撐軸承上看， RB-211有8個軸承支承點，而JT9D只有4個。為了千方百計提高壓氣機的喘振裕度，除了采用雙轉(zhuǎn)子壓氣機外，中間級放氣以及機匣處理等措施已逐漸被廣泛運用。在很多現(xiàn)代化的發(fā)動機上人們都保留了放氣活門以備不時之需。比如在JT9D渦扇發(fā)動機上，普拉特惠特尼公司就分別在高、低壓壓氣機的第4、9、15級上保留了三個放氣活門。”昆侖"發(fā)動 機也采用了先進的機匣處理措施，以及數(shù)字式防喘控制系統(tǒng)。 詳解航空渦輪發(fā)動機（三

12、）【字體大小：大中小】 燃燒室壓氣機后面緊跟的是燃燒室。經(jīng)過壓氣機壓縮后的高壓空氣與燃料混合之后將在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣來推動燃氣渦輪運轉(zhuǎn)并從尾噴口高速噴岀從而產(chǎn)生推力。航空發(fā)動機對燃燒室的要求是：第 一，燃燒室單位容積的發(fā)熱量或者說是熱容強度要很高。通俗的說，就是要燃燒室在盡可能小的容積里完 成高壓空氣與燃料的混合與充分燃燒。第二，要保證足夠高的燃燒效率。第三，保證經(jīng)過燃燒室后的氣體 達到所需的溫度并要求岀口溫度場相當(dāng)均勻。燃燒室的后面是渦輪，如果氣流溫度不均勻，有的地方特別 熱，有的地方特別冷（相對的冷，溫度仍在千度左右），渦輪就會受不了-同一個渦輪葉片，轉(zhuǎn)到熱的地方就膨脹，轉(zhuǎn)到

13、冷的地方就收縮，一來二去，葉片很快就會發(fā)生金屬疲勞，降低了使用壽命。燃燒室的設(shè)計難點在于， 油氣二相混合物的流動特性既不同于液態(tài)，又不同于氣態(tài)，這種流場很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。所以，燃燒室的設(shè)計過程很大程度上是通過實驗來進行的，需要完善的試驗設(shè)備和較 長的試驗時間。這也是我們?yōu)?"昆侖"發(fā)動機走完全設(shè)計過程而額手稱慶的原因之一-這說明我們的發(fā)動機試驗和測試技術(shù)裝備有了很大進步。在噴氣發(fā)動機上最常用的燃燒室有兩種，一種是環(huán)管燃燒室， 一種是環(huán)形燃燒室。早期的航空渦輪發(fā)動機上還采用過單管燃燒室。環(huán)管燃燒室是很常見的設(shè)計。這種設(shè)計中，燃燒室被分割成在垂直于發(fā)動機軸向的平面內(nèi)環(huán)形布

14、置的 若干個火焰筒，燃燒就被限制在這個空間內(nèi)進行。為了滿足發(fā)動機對燃燒室的要求，火焰筒進行了巧妙的 設(shè)計。火焰筒面向壓氣機來流方向的頂端安裝了擾流器，燃油通過供油系統(tǒng)從火焰筒頂端的噴油嘴霧化噴 岀。高壓氣流分兩股進入燃燒室：第一股氣流通過擾流器進入火焰筒與霧化燃油混合直接參與燃燒，而大 量的（約占總流量60%70%）第二股氣流則進入火焰筒與燃燒室外殼之間的空腔。這股氣流有兩個作用，其一是冷卻、隔熱；其二是通過火焰筒壁上經(jīng)過精心設(shè)計角度的大量小孔以特定的速度和方向，分批分期 地進入火焰筒補充燃燒并控制燃燒區(qū)域長度和燃燒室岀口溫度場，從而確保燃氣以相當(dāng)均勻的溫度場進入 渦輪部件。各火焰筒之間裝有聯(lián)

15、焰管，用來傳播火焰以減少所需的點火裝置，還起到連通各個火焰筒，保證各火焰筒壓力大致相等的作用。環(huán)形燃燒室是由兩個與發(fā)動機同軸的套筒組成，原先火焰筒的功能則由內(nèi)套筒代替完成。環(huán)形燃燒室的氣流分布類似于環(huán)管燃燒室，一股氣流進入內(nèi)套筒參與燃燒，另一股氣流則進入內(nèi)外套筒之間的空腔， 然后再分期分批進入內(nèi)套筒，同樣起到補充燃燒并控制燃燒區(qū)域長度和燃燒室岀口溫度場的作用。環(huán)形燃 燒室不像環(huán)管燃燒室那樣由多個火焰筒組成，而是一個整體，因此環(huán)形燃燒室的岀口燃氣場的溫度要比環(huán) 管燃燒室均勻，而且環(huán)形燃燒室所需的燃油噴嘴也比環(huán)管燃燒室少一些。另外，由于其暴露在高溫燃氣中 的面積較小，在冷卻和隔熱方面也比環(huán)管燃燒室

16、有優(yōu)勢，而且，進入的空氣可以更多地參加燃燒和攙混， 從而大大提高了燃燒效率和渦輪前溫度，使發(fā)動機推力得到提高。雖然與環(huán)管燃燒室相比， 環(huán)形燃燒室也存在著一些不足，但是這些不足不是性能上的而是制造工藝上的。隨著科技的進步，環(huán)形燃燒室的機械強度和調(diào)試問題如今都已得到了比較圓滿的解決。由于環(huán)形燃燒 室固有的優(yōu)點，在20世紀80年代之后研發(fā)的新型航空渦輪發(fā)動機采用的幾乎都是環(huán)形燃燒室，”昆侖"發(fā)動機上就采用了環(huán)形燃燒室的技術(shù)。詳解航空渦輪發(fā)動機（四） 【字體大小：大中小】 渦輪經(jīng)過了這么多”熱身”，高溫高壓氣流終于可以大顯身手，進入渦輪做功了。不過，在”工作”之前。先 要排好隊-在燃燒室中產(chǎn)

17、生的高溫高壓燃氣首先要經(jīng)過一道燃氣導(dǎo)向葉片，高溫高壓燃氣在經(jīng)過燃氣導(dǎo)向 葉片時會被整流并通過在收斂管道中將部分壓力能轉(zhuǎn)化為動能而加速，最后被賦予一定的角度以更有效地 沖擊渦輪葉片。從"航空渦輪發(fā)動機”這個稱呼上，就可以看岀渦輪在發(fā)動機里的重要性。渦輪實際上是一個"風(fēng)車"，在燃燒室來流的沖擊下轉(zhuǎn)動。渦輪的作用就是將一部分高溫高壓燃氣的能量通過傳動軸傳遞給前面的壓氣 機，使其能夠正常工作。在渦扇/渦槳發(fā)動機中，渦輪還要驅(qū)動風(fēng)扇和螺旋槳葉片。渦輪是航空渦輪發(fā)動機 三大核心部件中的”苦力”，它"干的活最重”、”自身壓力最大"而且”工作環(huán)境最差”。說它&

18、quot;干的活最重”，是 指每級渦輪要發(fā)岀很大的功率，在現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機上，通常只有不超過三級的渦輪，可是就這么幾級 的渦輪卻要發(fā)岀上萬匹馬力的功率；”自身壓力最大”是說渦輪葉片在高速旋轉(zhuǎn)時由于其本身的重量，會受到相當(dāng)大的離心力，大到渦輪全速旋轉(zhuǎn)時其離心力相當(dāng)于在每個葉片上吊掛了一輛5噸卡車；說它”工作環(huán)境最差"則是指，渦輪的工作條件可以用 "高溫"、"高壓"、"高速"三個"高"來形容?，F(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機的 渦輪進口溫度最高達到 1800K甚至2000K （約1727攝氏度，超過大多數(shù)金屬材料的熔點）

19、；渦輪進口氣 壓高達幾十個大氣壓；在渦輪葉片邊緣的氣流速度通常可以接近甚至超過音速，只有這樣的氣流沖擊到渦 輪上，才能使渦輪發(fā)岀足夠大的功率。換句話說，能在"三高"條件下穩(wěn)定工作就是現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機對渦輪性能提岀的最基本要求。對于氣流而言，溫度、速度和壓力使密切相關(guān)的三個參量，于是，"三高"要求最終就體現(xiàn)在盡可能提高渦輪進口溫度上面了，而渦輪進口溫度也就成了衡量發(fā)動機性能好壞的一個關(guān) 鍵性指標(biāo)。矛盾恰好也在這里，渦輪進口溫度提高使發(fā)動機性能得到改善，但與此同時，渦輪開始叫苦不 迭了。如何提高渦輪的耐熱性能呢？有這樣幾個辦法。第一，強制冷卻。發(fā)動機設(shè)計人

20、員在渦輪葉片上設(shè)計了很多細小的管道，高壓冷空氣通過這些管道流經(jīng)高溫葉片，起到強制冷卻作用，這就是”空心氣冷葉片”。最早的渦扇發(fā)動機-英國羅羅公司的"康維"發(fā)動機就使用了空心氣冷葉片。除了在燃燒室中使用的氣膜冷卻之外，在渦輪的燃氣導(dǎo)向葉片和渦輪葉片上 大多還使用了對流冷卻和空氣沖擊冷卻。對流冷卻就是在空心葉片中不停地有冷卻氣流流動，以帶走葉片 上的熱量。空氣沖擊冷卻（也叫氣膜冷卻）實際上是一種被加強的對流冷卻，即用一股或多股高速冷卻氣 流強行噴射在要求被冷卻的表面。沖擊冷卻一般用在燃氣導(dǎo)向葉片和渦輪葉片的前緣上，由空心葉片的內(nèi) 部向葉片的前緣噴射冷卻氣體以強行降溫。沖擊冷卻后

21、的氣體會從燃氣導(dǎo)向葉片和渦輪葉片前緣的孔隙中 流岀，被燃氣帶動在葉片的表面形成冷卻氣膜。但是開在葉片前緣的冷卻氣流孔隙會使葉片更加難以制造，而且這些孔隙還會導(dǎo)致應(yīng)力集中，對葉片的壽命產(chǎn)生負面影響。可是由于氣膜冷卻要比對流冷卻的效果好 的多，所以人們還是不惜代價地在葉片上采用氣膜冷卻。從某種意義上來說，在燃氣導(dǎo)向葉片和渦輪葉片上使用更科學(xué)合理的冷卻方法，可能要比開發(fā)更先進的耐高溫合金更實際一些。因為采用空心冷卻技術(shù)要比開發(fā)新合金投資少、見效快?，F(xiàn)在渦輪進口溫度的 提升其一半的功勞要歸功于冷卻技術(shù)的提高。由于采用冷卻技術(shù)，目前各渦輪葉片實際所承受的溫度要比 渦輪進口溫度低 200350攝氏度，所以

22、說葉片冷卻技術(shù)對提高渦輪工作溫度功不可沒。第二，采用新的耐熱材料制造渦輪葉片。一些先進航空發(fā)動機公司已經(jīng)開始探索用耐熱性能更好的陶瓷等 材料制造渦輪葉片。可是如果沒有深厚的科學(xué)基礎(chǔ)作保證，高性能的渦輪材料研制也就無從談起。當(dāng)今有 實力研制高性能渦輪的國家都把先進的渦輪盤和渦輪葉片的材料配方和生產(chǎn)工藝當(dāng)作最高機密，也正是這 個小小的渦輪減緩了一些國家成為航空大國的步伐。普通的碳鋼在800900 'C時強度就大大降低了。但是在其中加入其它一些金屬成分，尤其是鎳、鉻、鎢等，制成耐熱合金，耐高溫水平就可以不斷提高。我國在五十年代剛開始研制航空渦輪發(fā)動機時的耐熱 合金的最高水平是800 C,在做了大量研究試驗工